1
STALE
Ze względu na przyjęcie europejskich przepisów dotyczących zbiorników
ciśnieniowych, niezbędne stało się wprowadzenie europejskich norm dla
materiałów. Różnice pomiędzy starym a nowym systemem klasyfikacji i
oznaczeń (a co za tym idzie i własnościami stali) są na tyle znaczące, że
wymagane jest ich dokładne omówienie.
UWAGA: należy z ostrożnością podchodzić do podręczników
materiałoznawstwa, poradników etc., gdyż te wydane przed 2004r. będą z
pewnością zawierały odnośniki do starych norm (te wydane po 2004r r. – mogą,
ale nie muszą zawierać nowe oznaczenia).
Przykładowo, patrząc na stale na zbiorniki ciśnieniowe widać różnice nie
tylko w sposobie oznakowania, ale również i w składzie stali, a co za tym idzie i
własnościach. Przykładowo, w starych stalach kotłowych (St36k, St41k i St44k)
zawartość siarki i fosforu była na poziomie 0,45% i spadała do 0,4% w stali
18CuNMT to nowe stale typu P…H (i P…L) mogą posiadać max 0,025%S i
0,03% P.
1. Klasyfikacja stali wg. PN-EN 10020:2003.
Stal jest to materiał zawierający (masowo):
więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka;
o zawartości węgla w zasadzie mniej niż 2%;
zawierający również inne pierwiastki.
Pewna ograniczona liczba stali chromowych może zawierać więcej niż 2% C;
lecz wspomniane 2% jest ogólnie przyjętą graniczną wielkością, dla odróżnienia
stali od żeliwa.
Klasyfikacja stali opiera się na zawartości pierwiastków w analizie wykopowej
(norma lub warunki dostawy) i zależy od ich minimalnej zawartości. W
przypadku, gdy norma podaje tylko max. wartości, to do klasyfikacji stali
przyjmuje się tylko 70% tej wielkości – zgodnie z wartościami podanymi w
tab.1.
Stalami odpornymi na korozje są stale zawierające co najmniej 10,5% Cr i max
1.2 % C. Podział stali odpornych na korozję pokazano w tab.2.
Innymi stalami stopowymi są stale nie odpowiadające definicji stali
odpornych nas korozję, dla których co najmniej zawartość jednego z w/w
pierwiastków osiąga lub przekracza graniczną wartość podaną w tab.1.
2
Tab.1. Graniczne wartości zawartości pierwiastków dla określenia granicy
miedzy stalami stopowymi i niestopowymi – wg. analizy wytopowej. Wartości
w [%] udziału masowego.
Symbol Pierwiastek
Udział [%] Symbol Pierwiastek
Udział [%]
Al
aluminium
0,30
Ni
nikiel
0,30
B
bor
0,0008
Pb
ołów
0,40
Bi
bizmut
0,10
Se
selen
0,10
Co
kobalt
0,30
Si
krzem
0,60
Cr
chrom
0,3
Te
telur
0,10
Cu
miedź
0,4
Ti
tytan
0,05
La
lantanowce
(każdy)
0,1
V
wanad
0,10
Mn
mangan
1,65*
W
wolfram
0,30
Mo
molibden
0,08
Zr
cyrkon
0,05
Nb
niob
0,06
Inne (
poza węglem, fosfo-
rem, siarką i azotem
) -każdy
0,10
*) max 1.8%
Stalami odpornymi na korozję ( wg. normy) są stale zawierające co najmniej
10.5 % Cr i max. 1.2 % C. Podział stali odpornych na korozje pokazano w tab.2.
Tab.2 Podział stali odpornych na korozję.
Stale odporne na korozję:
według zawartości niklu:
nierdzewne
Ni<2.5 %
żaroodporne
Ni
2.5 %
żarowytrzymałe
Innymi stalami stopowymi są stale nie odpowiadające definicji stali odpornych
na korozję i dla których zawartość, co najmniej jednego z pierwiastków
stopowych osiąga lub przekracza wartości graniczne wg. tab.1.
Stale niestopowe dzieli się na:
stale niestopowe jakościowe inne niż niestopowe
stale specjalne.
Stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne, w tym stale na rury ciśnieniowe i
zbiorniki ciśnieniowe :
posiadające minimalną granicę plastyczności <380 [N/mm
2
] dla grubości
elementów
16 mm;
3
posiadające odpowiednią zawartość pierwiastków stopowych (wg.
normy);
praca łamania na próbkach Charpy V w t=-50
o
C
27 J (próbki wzdłużne)
lub
16 J ( próbki poprzeczne).
Oznaczenia stali wg. PN-EN 10027-1.
Klasyfikację oznaczeń stali można podzielić na dwie grupy, wg. poniższej tabeli
(tab.3.)
Tab.3. Klasyfikacja znaków stali.
Klasyfikacja znaków stali:
Znaki wskazujące na zastosowanie oraz
mechaniczne lub fizyczne własności
stali
Znaki wskazujące na skład chemiczny
stali
2. Oznakowanie stali wg. własności mechanicznych i zastosowania.
Oznakowanie to składa się z ciągu liter i cyfr, przy czym pierwszym symbolem
jest litera wskazująca na przeznaczenie, a drugim cyfra wskazująca na
wytrzymałość stali, wg poniższego schematu (tab.4).
Tab.4. Ważniejsze znaki wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne
własności stali.
Oznaczenie literowe
Oznaczenie cyfrowe
S - stale konstrukcyjne
P – pracujące pod ciśnieniem
L – na rury przewodowe
E – stale maszynowe
Liczba równa min. granicy plastyczności
[N/mm
2
] dla najmniejszej grubości wyrobu
B - stale do zbrojenia betonu
Charakterystyczna granica plastyczności N/mm
2
]
Y - stale do betonu sprężonego
Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm
2
]
R – stal na szyny lub w postaci szyn
Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm
2
]
H - wyroby płaskie walcowane na zimno
ze stali o podwyższonej wytrzymałości
do kształtowania na zimno
Minimalna granica plastyczności [N/mm
2
]
T – j.w.
Minimalna wytrzymałość na rozciąganie N/mm
2
]
D - wyroby ze stali miękkich do
kształtowania na zimno (poza tymi ze
znakiem H)
M – stale elektrotechniczne
4
Tab.5. Oznaczenia stali konstrukcyjnych.
Symbole główne
Symbole dodatkowe
Litery
Własności
mechaniczne
Dla stali grupy 1
Dla stali grupy
2
Dla
wyrobów
G-
staliwo
S - stal
Minimalna
granica plas-
tyczności Re
[MPa] dla
najmniejszego
zakresu
wymiarów
produkowanych
elementów
elementów
Udarność/praca łamania [J]
Temp.
próby
[
o
C]
C – do
formowania na
zimno
D - do
walcowania na
goraco
E – do
emaliowania
F- do kucia
L – do
stosowania w
niskich
temperaturach
T – na rury
W odpornych
na korozje
atmosferyczną
Wg.
załączników
do normy
27[J]
40
[J]
60
J]
JR
KR LR 20
J0
K0
L0
0
J2
K2
L2
-20
J3
K3
L3
-30
J4
K4
L4
-40
J5
K5
L5
-50
J6
K6
L6
-60
M-walcowanych termomechanicznie
N- normalizowanych lub walcowanych
normalizujaco
Q – ulepszanych cieplnie
G inne cechy
Do grupy 1 należą stale oznaczane według zastosowania i własności
mechanicznych. Przykłady oznaczeń stali :
S185 – stal konstrukcyjna o Re=185 [MN/m
2
] (N/mm2
2
);
S 355JR- stal konstrukcyjna o Re=355 [MN/m
2
] (N/mm2
2
), o udarności w temp.
+20
o
C w wysokości min. 27 [J].
S 355N- stal konstrukcyjna o Re=355 [MN/m
2
] (N/mm2
2
), normalizowana.
Tab.6. Oznaczenia stali do pracy pod ciśnieniem.
Symbole główne
Symbole dodatkowe
Litery
Własności
mechaniczne
Dla stali grupy 1
Dla stali grupy
2
Dla
wyrobów
G- staliwo
P – stal do
pracy pod
ciśnieniem
Minimalna
granica plas-
tyczności Re
[MPa] dla
najmniejszego
zakresu
wymiarów
produkowanych
elementów
elementów
M-walcowanych termomechanicznie
N- normalizowanych lub walcowanych
normalizujaco;
T – na rury;
B- na butle gazowe;
S- na proste zbiorniki ciśnieniowe;
Q – ulepszanych cieplnie
G inne cechy;
H – wysoka
temperatura;
L - niska
temperatura;
R – tempera-
tura pokojowa
X – wysoka i
niska
temperatura
Wg.
załączników
do normy
Przykładowe oznaczenia:
P265B; P355M; P355 Q.
5
Tab.7. Oznaczenia stali dla rur do pracy pod ciśnieniem.
Symbole główne
Symbole dodatkowe
Litery
Własności
mechaniczne
Dla stali grupy 1
Dla stali grupy
2
Dla
wyrobów
L – stal na
rury
przewodowe
Minimalna
granica plas-
tyczności Re
[MPa] dla
najmniejszego
zakresu
wymiarów
produkowanych
elementów
elementów
M-walcowanych termomechanicznie
N- normalizowanych lub
walcowanych normalizująco;
G inne cechy (uzupełnione 2 cyframi)
M, N, Q – stale drobnoziarniste
Klasa
wymagań
Wg.
załączników
do normy
Przykładowe oznaczenia: L360M, L265 Q
Do grupy drugiej należą stale oznaczane według składu chemicznego.
Oznaczenia stali wg. składu chemicznego:
1. Stale niestopowe (bez stali automatowej) o średniej zawartości manganu
Mn<1% (podgrupa 2.1).
C50 – cyfra oznacza średnią zawartość węgla [%] x100 (w tym przypadku
zaw. węgla = 0.5%).
2. Stale o średniej zawartości manganu
1% i stale stopowe, bez
szybkotnących o zawartości każdego pierwiastka stopowego <5%
(podgrupa 2.2).
Ccc sssssssssss nn-nn-nn-nn-nn
Gdzie : ccc – liczba = 100xśrednia zawartość węgla [%];
ssss – symbole pierwiastków chemicznych – składników stopowych
stali uporządkowane wg. malejącej zawartości , a gdy dwa mają
taką samą zawartość – to wg. kolejności alfabetycznej;
nn- liczby odpowiadające zawartości poszczególnych pierwiastków
stopowych (średnio)x współczynniki z tab. 8.(zaokrąglone do
najbliższej liczby całkowitej) oddzielone od siebie kreską poziomą.
Przykładem może być stal, dawniej oznaczana jako 09G2Cu o zawartości:
Cmax = 0.12%; Mn1.2-1.8%; Cu<1%. Według nowej normy oznaczenie tej stali
to:
9MnCu6-10
3. Stale stopowe (bez stali szybkotnących) zawierające co najmniej 1
pierwiastek stopowy w ilości
5% (podgrupa 2.3):
X Ccc ssssssss nn-nn-nn-nn-nn
6
Gdzie : X – symbol grupy stali
ccc – liczba = 100xśrednia zawartość węgla [%];
ssss – symbole pierwiastków chemicznych – składników stopowych
stali uporządkowane wg. malejącej zawartości , a gdy dwa mają
taką samą zawartość – to wg. kolejności alfabetycznej;
nn- liczby odpowiadające zawartości poszczególnych pierwiastków
stopowych (średnio)x współczynniki z tab. 8.(zaokrąglone do
najbliższej liczby całkowitej).
Przykładem może być stal X7Ni36 o zawartości węgla średnio 0.07% (max.
0.1 %) i niklu średnio 9% (dawniej oznaczana jako X7Ni9).
4. Stale szybkotnące (podgrupa 2.4.) – oznaczenie rozpoczyna się od liter
HS (nie omawiane – bo na s nie interesują).
Tab. 8. Tabela współczynników do oznaczania stali.
Pierwiastek
Współczynnik
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
4
Al.,Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,Zr
10
Ce, N, P, S,
100
B
1000
Norma PN-EN 10027-2 podaje również system cyfrowy oznaczania stali, który
z braku miejsca nie będzie tu omówiony. Zainteresowane osoby winny we
własnym zakresie przeczytać wspomnianą normę.
WŁASNOŚCI MECHANICZNE CZĘŚCI ZŁĄCZNYCH
WYKONYWANYCH ZE STALI WĘGLOWYCH ORAZ STOPOWYCH
(śruby i śruby dwustronne).
Oznaczenia śrub zawarte są w normie PN-EN-ISO 898-1 z lutego 2001r.
Dla śrub z gwintem zwykłym od M1.6 do M39 i drobnozwojnym od M8x1 do
M39x3 poddawanych naprężeniom rozciągającym oznaczenie własności składa
się z 2 liczb:
Pierwsza liczba stanowi 1/100 nominalnej wytrzymałości na rozciąganie
materiału śruby R
m
[N/mm
2
; MN/m
2
];
Druga stanowi 10x krotność stosunku dolnej granicy plastyczności Re
L
(lub
umownej granicy plastyczności) do nominalnej wytrzymałości na
rozciąganie R
m
.
Iloczyn obu tych liczb stanowi 1/10 granicy plastyczności w [N/m
2
; MN/m].
7
Tab.1 Dane dla stosowanych gatunków stali na śruby złączne.
Minimalne
wydłużenie
po zerwaniu
Amin [%]
Nominalna wytrzymałość na rozciąganie Rm [N/mm
2
]
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400
7
8
9
6.8
12.9
10
10.9
12
5.8
9.8
*
14
8.8
16
4.8
18
20
5.6
22
4.6
25
3.6
30
*
)- dotyczy tylko średnicy gwintu d < 16 mm.
W rubryce nominalna wytrzymałość na rozciąganie Rm rubryka np. 200
oznacza stale o Rm od 200 do 300 [N/mm
2
].
UWAGA: jak widać, na śruby stosowane są tylko wybrane stale.
Przykładowe oznaczenie stali 3.6 - zgodnie z powyższą definicją oznacza:
3 – 1/100Rm, czyli RM= minimum 300 N/mm
2;
6 – oznacza, (10xRe)/Rm. Czyli Re/Rm = 0.6 ;
czyli Re =0.6xRm= 0.6x300 = 240 N/mm
2
(minimum).
Tab.2 Wpływ temperatury na własności śrub.
Klasa
własności
Temperatura
[
o
C]
+20
+100
+200
+250
+300
5.6
300
270
230
215
195
8.8
640
590
540
510
480
8
Tab.3. Skład chemiczny stali stosowanych na śruby.
Klasa
własności
Materiał i obróbka
Skład chemiczny [%]
Temperatura
odpuszczania
Cmin
Cmax
Pmax
Smax
Bmax
[
o
C]
3.6
Stal węglowa
0,2
0,05
0,06
0,003
4.6
0,55
0,05
0,06
0,003
4.8
0,55
0,05
0,06
0,003
5.6
0,13
0,55
0,05
0,06
0,003
5.8
0,55
0,05
0,06
0,003
6.8
0,55
0,05
0,06
0,003
8.8
*
Stal węglowa z
dodatkami stopowy-mi
(B, Mn, Cr) hartowana
i odpuszczana
0,15
0,4
0,35
0,035
0,003
425
8.8
Stal węglowa
hartowana i
odpuszczana
0,25
0,55
0,35
0,035
0,003
425
9.8
Stal węglowa j.w.
0,15
0,35
0,35
0,035
0,003
425
9.8
Stal węglowa j.w.
0,25
0,55
0,35
0,035
0,003
425
*
) w przypadku średnic >20 mm może wystąpić konieczność stosowania stali o klasie
własności 10.9 dla zapewnienia odpowiedniej twardości.
Rys. .1 Cechowanie umieszczone na łbie śruby: (symbol cyfrowy i kod
zegarowy) Xyz – cecha identyfikujaca wytwórcę; 5.6 – klasa własności (można
pisać 56 – z pominięciem kropki)
9
Tab.4. Własności mechaniczne i fizyczne śrub i srub dwustronnych (wyciąg z
normy )
Własności
Mechaniczne i fizyczne
Klasy własności
3.6
4.6
4.8
5.6
5.8
6.8
8.8
d<16
8.8
d>16
9.8
d<16
Nominalna wytrzymałość
na rozciąganie
Rm
nom
[N/mm
2
]
300
400
400
500
500
600
800
800
900
Rm
min
[N/mm
2
] 330
400
420
500
520
600
800
830
900
Twardość wg. Rockwella
min. HRB
52
67
71
79
82
89
HRC
22
23
28
max HRB
95
99,5
HRC
32
34
37
Dolna granica
plastyczności
Re
L
[N/mm
2
] nominalna
180
240
320
300
400
minimalna 190
240
340
300
420
480
Umowna granica
plastyczności
Rp
0,2
[N/mm
2
] nominalna
640
640
720
minimalna
640
640
720
Wydłużenie po zerwaniu
A
min
[%]
25
22
-
20
-
-
12
12
10
Przewężenie po zerwaniu
Z
min
[%]
52
52
48
Udarność KU
min
[J]
25
30
30
25
Tab. 5. Minimalna siła zrywająca [N] (As
nom
xRm
min
) – gwinty metryczne
zwykłe.
Gwint As
nom
[mm
2]
Klasy własności
3.6
4.6
4.8
5.6
5.8
6.8
8.8
9.8
M8
36,6
12100
14600
15400
18300
19000
22000
29200
32900
M10
58
19100
23200
24400
29000
30200
34800
46400
52200
M12
84,3
27800
33700
35400
42200
43800
50600
67400
75900
M16
157
51800
62800
65900
78500
81600
94000
125000 141000
M20
245
80800
98000
103000 122000 127000 147000
M24
353
116000 141000 148000
M27
459
152000
M30
561
185000
10
WŁASNOŚCI MECHANICZNE NAKRĘTEK O WYSOKOŚCI
NOMINALNEJ
0.8d (czynna długość gwintu
0.6 D).
Zalecane klasy mechaniczne nakrętek do współpracy ze śrubami złącznymi wg.
PN-EN 20898-2 zawiera poniższa tabela.
Klasa własności
mechanicznych nakrętek
Śruby współpracujące
Klasa własności
wytrzymałościowych
Zakres średnic
4
3,6; 4.6; 4.8;
>M16
5
3.6; 4.6; 4.8;
M16
5.6; 5.8;
M39
6
6.8
M39
8
8.8
M39
9
9.8
M16
10
10.9
M39
12
12.9
M39
Klasa własności mechanicznych nakrętek to liczba wskazująca maksymalną
klasę własności mechanicznych śrub, z którymi nakrętki mogą współpracować.
Połączenia gwintowe należy projektować tak, aby powodem uszkodzenia było
zawsze pękanie trzpienia. Zerwanie gwintu – zwłaszcza w nakrętce – jest mało
widoczne i często stopniowe i trudne do wykrycia. Wprowadza to ryzyko, że
częściowo uszkodzone części mogą pozostać w zespole złącznym. Śruba (wkręt)
o odpowiedniej klasie, skojarzona z nakrętką o odpowiedniej klasie własności
mechanicznych zgodnie z powyższą tabelą może być dokręcana do obciążenia
próbnego bez zerwania. Przekroczenie obciążenia próbnego przy właściwym
(zalecanym) doborze klas własności mechanicznych śruby i nakrętki zapewnia
przewidywaną awarię minimum 10% połączeń nadmiernie dokręconych – w
formie uszkodzenia śruby, dla ostrzeżenia użytkownika, że takie postępowanie
przy montażu nie jest odpowiednie
Rys. 3. Znakowanie nakrętek – symbol cyfrowy.
11
Rys.4. Znakowanie nakrętek – kod zegarowy.